LABORATORIO DE FÍSICA II DEPARTAMENTO DE FÍSICA PRÁCTICA No. 6 FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ (PARTE 1) (USO Y MANEJO DEL OSCILOSCOPIO)
1. Describa brevemente el principio básico del osciloscopio. Un osciloscopio es un instrumento de visualización electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectro. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje THRASHER" o "Cilindro de Wehnelt" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza. 2. ¿Qué diferencias existen entre los osciloscopios analógicos y digitales? La tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical oscilante de un tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensión es producida mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos. En la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a una computadora personal o pantalla LCD. En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo. Las características y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pretriggering) para la visualización de eventos de corta duración, o la memorización del oscilograma transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento. Existen asimismo equipos que combinan etapas analógicas y digitales. La principal característica de un osciloscopio digital es la frecuencia de muestreo, la misma determinara el ancho de banda máximo que puede medir el instrumento, viene expresada generalmente en MS/s (millones de muestra por segundo). 3. ¿Qué tipo de mediciones se pueden realizar con el Osciloscopio?
En un osciloscopio existen, básicamente, dos tipos de controles que son utilizados como reguladores que ajustan la señal de entrada y permiten, consecuentemente, medir en la pantalla y de esta manera se puede ver la forma de la señal medida por el osciloscopio, esto denominado en forma técnica se puede decir que el osciloscopio sirve para observar la señal que quiera medir. Para medir se lo puede comparar con el plano cartesiano. El primer control regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo (segundos, milisegundos, microsegundos, etc., según la resolución del aparato). El segundo regula el eje Y (vertical) controlando la tensión de entrada (en Voltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolución del aparato). Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saber cuánto representa cada cuadrado de ésta para, en consecuencia, conocer el valor de la señal a medir, tanto en tensión como en frecuencia. (en realidad se mide el periodo de una onda de una señal, y luego se calcula la frecuencia) 4. Mencione algunas aplicaciones en donde se requiere el uso del osciloscopio. Medicina: Electrocardiógrafo; electroencefalógrafo; medición depresión arterial y venosa; medición de ritmo respiratorio; electromiógrafo (actividad eléctrica del tejido nervioso). Radiocomunicaciones: Analizador de espectros; medidores de modulación; medidores de frecuencia; pruebas de líneas de transmisión. Instrumentación Electrónica: medición de amplitud, frecuencia, fase y distorsión de señales eléctricas. Trazador de curva (caracterización de dispositivos). Navegación: Sistemas de radar; sistemas de sonar; señalizadores; sistemas de orientación; sistemas de simulación. Física: Duración de eventos cortos (pulsos de nanosegundos a milisegundos); caracterización de materiales; monitoreo de eventos nucleares; experimentos de espectroscopia. Industria: Sistemas de medición y prueba; monitoreo y pruebas en control de calidad. Servicios: Reparación de equipo electrónico; afinación electrónica automotriz. 5. Mencione las características de voltaje de corriente alterna, continua y directa. Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la oscilación senoidal con la que se consigue una transmisión más eficiente de la energía, a tal punto que al hablar de corriente alterna se sobrentiende que se refiere a la corriente alterna senoidal. La corriente continua se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. 6. Para una señal periódica defina los conceptos de amplitud, periodo y frecuencia. En física la amplitud de un movimiento oscilatorio, ondulatorio o señal electromagnética es una medida de la variación máxima del desplazamiento u otra magnitud física que varía periódica o cuasiperiódicamente en el tiempo. Es la distancia entre el punto más alejado de una onda y el punto de equilibrio o medio. OBJETIVOS. I. Se capacitará en el uso y manejo del osciloscopio. II. Realizar mediciones de los parámetros de los diferentes tipos de onda, usando el osciloscopio.
INTRODUCCIÓN Para los propósitos de esta práctica, en el cual se tratan parámetros de C.A. (cuyos valores varían con el tiempo) y C.C. (cuyos valores son constantes en el tiempo), el osciloscopio es el instrumento de medida más apropiado. Posibilita mediciones de precisión de magnitudes eléctricas.
> El osciloscopio permite representar gráficamente la magnitud medida, así como también, su variación en el tiempo. FORMAS DE ONDA. Si se conecta un generador de funciones al osciloscopio y se calibra correspondientemente la base de tiempo, se visualizará en la pantalla del osciloscopio una representación gráfica de la señal. En la figura 5.1 se muestran varias formas de ondas comunes.
Figura 5.1 Formas de onda. a - Senoidal
b - Cuadrada
c - Diente de sierra
d - Triangular
e - Rectangular
f - Voltaje continuo
De acuerdo a la figura 5.1, se puede distinguir entre C.C, C.D. y C.A. así como también definirlas: Señal continua (C.C.): Es una señal de amplitud fija. Está representada gráficamente a lo largo del eje de tiempo (f).
Señal directa (C.D.): Es una señal que varía en amplitud pero no cambia de polaridad con respecto al eje del tiempo (c). Señal alterna (C.A.): Es una señal de amplitud variable y que cambia de polaridad a lo largo del eje de tiempo y está representada gráficamente en el mismo eje (a), (b), (d) y (e). MEDICIÓN DEL PERIODO DE UNA ONDA. Definición de parámetros Ciclo.- Perfil de una onda periódica sin repetirse. Periodo (T).- Es el tiempo en segundos que tarda una onda en completar un ciclo. La figura 5.2 muestra diversas posibilidades para la medición del periodo de una onda senoidal.
El número de ciclos en un segundo se denomina “frecuencia” (f) y la unidad es el Hertz [Hz]. La relación matemática entre el periodo y la frecuencia está dada por la siguiente ecuación. 1
f Donde:
T
(1)
f es la frecuencia [s *] ó Hertz [Hz] T es el periodo, en segundos [s]
UTILIZACIÓN DEL OSCILOSCOPIO PARA MEDIR EL PERIODO DE UNA ONDA.
LaPara amplitud. medir el periodo de una forma de onda particular, se debe calibrar el eje horizontal (eje X) Esdel la osciloscopio altura máxima una onda (cresta),(Tiempo/división). o la profundidad máxima (valle) respecto al nivel de en de unidades de tiempo, referencia. El control de la base de tiempo posibilita la elección de milisegundos [ms], microsegundos [us], Laetc. señal alterna está definida por tres parámetros: a)Para Voltaje pico a pico (VPP). simplificar la medición, la pantalla del osciloscopio está reticulada. La figura 5.3 muestra Secomo mideaparece con el osciloscopio, desde el positivode hasta el pico negativo la onda, ya que es laen una onda senoidal enpico la pantalla un osciloscopio, conde base de tiempo fijada distancia (sobre eje Y). representa un microsegundo. 1 us, esvertical decir que cadaeldivisión b) Voltaje pico (VP). Este valor se mide desde el eje de simetría de la onda hasta uno de los picos. Numéricamente es igual a la mitad del valor pico a pico. c) Voltaje eficaz (VRMS ó VEF). Es la parte de la señal que realmente se aprovecha. Ejemplo: Para un voltaje senoidal, existe la siguiente relación matemática: Figura 5.3 Pantalla del osciloscopio mostrando onda senoidal. RMS
0.707Vp [ V ]
(2)
Donde: El periodo se calcula basándose en la representación en la pantalla del osciloscopio, de la VP = es el valor de pico en volt siguiente manera: VEF==es el valorde eficaz en volt(en un ciclo) x posición del selector de la base de tiempo. Periodo Número divisiones Para la forma de onda que se muestra en la figura 5.3 se obtiene: El valor eficaz es denominado también "Valor T= cuadrático RMS ("Root Mean Square”). 4 x 1\us]medio” = 4 \us] frecuencia se obtiene de la ElLa valor de un voltaje senoidal seecuación mide con(1): el osciloscopio según lo indicado en la figura 5.4
= 250 [KHz] f =1 - 1 T A\us\ MEDICIÓN DE LOS PARÁMETROS DE CORRIENTE ALTERNA
Química
Página 73
Figura 5.4 Onda senoidal con parámetros. Antes de la medición se debe calibrar el eje vertical (Y) en unidades de volt por división (Volt/división). En la figura (5.4) cada división representa un volt, por lo tanto el voltaje pico (VP) de la onda en la figura (5.4) es igual a 2 volt. El voltaje pico a pico (V PP) es de 4 volt. Substituyendo los valores en la ecuación (2) se obtiene el valor eficaz. V^s = 0.707Vp = 0.707 x 2 = 1.414[V ] NOTA: La ecuación de voltaje eficaz se cumple únicamente para una señal senoidal pura. Para otras formas de onda se necesitan métodos más complicados para los cálculos, lo cual está fuera del alcance de conocimientos requeridos en esta práctica. CONCEPTOS NECESARIOS 1. Señales de C.A., C.D. y C.C. 2. Voltaje eficaz y voltaje pico a pico. 3. Frecuencia y periodo.
MATERIAL Y EQUIPO > Dos osciloscopios y accesorios (Un digital y un analógico). > Un Multímetro > Un generador de señales. > Una fuente escalonada. > Cables de conexión Figura 5.6 Conexión del generador de señales al osciloscopio. Periodo[s] Frecuencia calculada [Hz] c) Obtenga una señal senoidal con un voltaje de salida de 2.5 [Vp], para cada una de las 1000 1000Y OBSERVACIONES DEL 1000 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ESTUDIANTE frecuencias indicadas en la tabla 5.1, midiendo el periodo y concéntrelo en la misma. 2000 500 2000 Osciloscopio analógico 340 2941.1 a) El3000 profesor explicara el funcionamiento y uso del Osciloscopio analógico.
Figura 5.5 Osciloscopio analógico. Determinación de la frecuencia mediante la medición del periodo. b) Conecte la señal de salida (50 Q) del generador de señales a la entrada del osciloscopio, como se muestra en la figura 5.6.
Tabla 5.1 Medición de periodo y frecuencia. 1. Atendiendo a los valores del periodo registrados en la tabla 5.1 determine la frecuencia. Medición de ondas de C.A. d) Conecte la señal de salida de C.A de la fuente escalonada a la entrada del osciloscopio como se muestra en la figura 5.7.
Figurapico 5.7 Medición depico onda Voltaje Voltaje a de C.A Valor eficaz
Valor eficaz
e) De acuerdo a los valores dados en la tabla 5.2 mida la amplitud de los voltajes: Vp y Vpp y corriente alterna (Vp) pico (Vpp) medido calculado [V] [V] [V] [V] [V] regístrelos en la misma. f)
2 6 3 2.154 2.121 Mida el valor eficaz, con el multímetro para cada uno de los valores dados en la tabla 5.2 y 4 12 6 4.295 4.243 6 20 10 6.45 7.071 regístrelo en 8 la columna correspondiente 25 12.5 8.61 8.838 30 15 10.79 10.6066 10
Tabla 5.2 Medición de voltaje de corriente alterna. 2. Calcule el valor eficaz pedido en la tabla 5.2. 3. ¿Difieren los valores de voltaje eficaz medido y calculado en la tabla 5.2? Explique.
Si varia ya sea por las condiciones del equipo que se está utilizando pero es una variación mínima con la calculada.
Osciloscopio digital g) El profesor explicará el funcionamiento y uso del Osciloscopio digital.
Tabla 5.3 Medición de voltaje y frecuencia de CA. Periodo Frecuencia Voltaje Señal Voltaje pico Voltaje pico Figura 5.8 Osciloscopio digital senoidal (V ) [V] [s] [Hz] Eficaz a pico (Vpp) (V ) [V] de RMS Medición de los parámetros de una señal de voltaje senoidal de C.A utilizando el corriente ESCRIBA SUS COMENTARIOS Y CONCLUSIONES A LA PRÁCTICA: [V] ENalterna LA SESION EXPERIMENTAL LLEVADA ACABO SE ADQUIRIO EL CONOCIMIENTO DEL FUNCIONAMIENTO Osciloscopio digital. DEL OSCILOSCOPIO ASI COMO LOS CONCEPTOS INVOLUCRADOS EN LA PRACTICA. CONCLUYENDO CON [V] UN TRABAJO BIEN REALIZADO ATENDIENDO LOS PUNTOS CLAVE EXPUESTO POR EL PROFESOR. 2 16.66 59.95 6.24 3.12 2.17 4 16.68 60 12.5 6.25 4.34 6 16.72 la señal 59.95 9.6 escalonada 6.55a la entrada del osciloscopio como h) Conecte de salida de19.2 C.A de la fuente 8 16.72 59.95 25.2 12.6 8.71 se muestra en la figura 5.9. 10 16.72 59.95 31.6 15.8 10.90 16.72 59.95 37.8 18.75 13 12 P
Figura 5.9 Osciloscopio digital, midiendo señal de C.A. i)
De acuerdo a los valores dados en la tabla 5.3 mida los parámetros indicados y regístrelos en la misma.
